R for Bioinformatics

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出版者:O'Reilly
作者:Kimberley Seefeld
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:2005-08
价格:0
装帧:Paperback
isbn号码:9780596005443
丛书系列:
图书标签:
  • R
  • 计算机
  • 专业
  • R语言
  • 生物信息学
  • 数据分析
  • 统计学
  • 基因组学
  • 生物统计
  • 编程
  • 数据科学
  • 生物医学
  • 计算生物学
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具体描述

深度学习与神经科学交叉领域前沿探索 图书名称: 《脉冲:神经计算模型与认知架构的集成之路》 目标读者: 神经科学家、计算生物学家、人工智能研究人员、对认知建模和类脑计算感兴趣的工程师与学者。 书籍定位: 本书旨在构建一座连接前沿深度学习技术与复杂神经科学观测数据的桥梁。它聚焦于如何利用先进的计算范式(尤其是脉冲神经网络,SNNs)来解析生物大脑的运作原理,并反过来,如何从生物学机制中汲取灵感来设计更高效、更具生物合理性的新一代人工智能系统。 --- 第一部分:基础重构——从生物到脉冲模型 本部分首先为读者建立起理解生物神经元和网络动力学的坚实基础,并引入其在计算领域的关键转译工具——脉冲神经网络(Spiking Neural Networks, SNNs)。 第一章:神经元动力学的生物学精髓 1.1 膜电位与离子通道: 详细剖析动作电位的产生、传播与静息状态的跨膜离子流机制。介绍Hodgkin-Huxley模型的数学基础及其在模拟单个神经元行为中的精确性。 1.2 突触可塑性与信息编码: 深入探讨突触后电位(EPSP/IPSP)的生成。重点解析长期增强作用(LTP)和长期抑制作用(LTD)的分子机制,以及这些变化如何支持学习和记忆。 1.3 信息表征的维度: 比较速率编码(Rate Coding)与时间编码(Temporal Coding)的优劣及其在不同脑区的功能特化。 第二章:脉冲神经网络(SNNs)的计算范式 2.1 脉冲模型的数学化: 介绍Integrate-and-Fire(I&F)模型家族,包括Leaky I&F (LIF) 和Quadratic I&F (QIF) 模型。重点讲解脉冲发放的阈值机制与不应期处理。 2.2 SNNs中的突触模型: 探讨如何用微分方程描述快速突触(AMPA/GABA)和慢速调节(NMDA)的动态过程,强调其对信号延迟和相干性的影响。 2.3 脉冲网络拓扑与连接: 考察皮层柱的层级结构、局部连接模式(如循环回路、星形细胞网络)在SNNs中的实现,及其对信息流的约束作用。 --- 第二部分:深度学习与神经科学的交汇点 本部分将当前最强大的AI工具——深度学习,与神经科学提出的结构和功能假设进行深度融合与验证。 第三章:基于生物学约束的监督学习 3.1 权重更新的局域化挑战: 探讨反向传播(BP)在生物学上的不可行性,并引出脉冲时间依赖可塑性(STDP)作为非监督学习的基石。 3.2 监督式STDP变体: 介绍Surrogate Gradient Descent(替代梯度下降)方法,它允许在SNNs中使用类似BP的梯度信息进行优化,同时保持脉冲的离散性。 3.3 层次化学习与特征提取: 如何构建具有生物合理深度的SNNs来模拟视觉皮层(V1-V4)的特征层次化处理,重点分析其对纹波(Ripples)和慢波(Slow Oscillations)的响应。 第四章:无监督与自监督学习在表征学习中的作用 4.1 自组织映射(SOM)与皮层柱: 回顾Kohonen网络如何模仿皮层神经元竞争性学习形成拓扑有序地图(Topographic Maps)。 4.2 预测编码(Predictive Coding)框架: 深入探讨该框架如何统一感知、运动和认知功能。构建基于误差信号驱动的SNNs模型,模拟大脑持续生成和更新内部世界模型的过程。 4.3 稀疏编码与能量函数: 讨论如何利用稀疏性约束来模拟大脑的低功耗运行模式,并将其应用于高效的特征提取和记忆存储。 --- 第三部分:从认知功能到系统模拟 本部分将关注高层次的认知过程,展示如何使用SNNs来模拟复杂的神经回路和其产生的行为。 第五章:时间动态与工作记忆的实现 5.1 振荡与同步性: 分析Alpha、Gamma和Theta节律在信息绑定(Binding Problem)和注意力机制中的角色。如何通过耦合振荡器来模拟不同脑区间的通信。 5.2 循环网络与持续活动: 建模前额叶皮层(PFC)中的Persistent Firing,利用SNNs中的循环连接和NMDA受体介导的慢波动力学来解释工作记忆的维持。 5.3 序列学习与时间序列建模: 介绍Reservoir Computing(水库计算)在SNNs中的应用,特别是Echo State Networks (ESN) 的脉冲版本,用于处理动态、时间依赖性的信息流。 第六章:决策制定与价值学习的神经基础 6.1 强化学习与多巴胺系统: 详细解析多巴胺能信号(TD误差)如何调节突触可塑性。构建结合多巴胺调制STDP规则的SNNs模型。 6.2 基底节环路与动作选择: 模拟纹状体(Striatum)、苍白球(Pallidum)和丘脑之间的直接通路与间接通路,解释SNNs如何实现“Go/No-Go”的决策选择。 6.3 意识的集成模型: 探讨整合信息理论(IIT)的计算框架,并尝试用基于全局工作空间理论(Global Workspace Theory)的SNNs架构来模拟信息如何在不同专业化模块间实现集成和意识报告。 --- 第四部分:面向未来——硬件实现与前沿挑战 本部分聚焦于SNNs的工程应用和未来发展方向,特别是新型类脑芯片的集成。 第七章:神经形态计算的硬件架构 7.1 脉冲芯片的演进: 介绍IBM TrueNorth、Intel Loihi等神经形态芯片的设计理念,重点分析其在并行处理和事件驱动计算方面的优势。 7.2 脉冲的事件驱动与能效: 阐述SNNs如何利用稀疏的、异步的脉冲事件实现远低于传统ANNs的能耗,及其在边缘计算中的巨大潜力。 7.3 从软件模拟到硬件部署的映射挑战: 讨论模型简化、精度损失和突触权重映射的实际工程问题。 第八章:开放性问题与计算神经科学的未来 8.1 对抗性攻击与鲁棒性: 评估SNNs在面对对抗样本时的生物合理性防御机制,对比传统深度学习模型的脆弱性。 8.2 远超人类的特定认知任务: 探讨SNNs在复杂时间序列预测、低数据学习和高效机器人控制方面的独特优势。 8.3 通用人工智能的生物学路径: 展望结合涌现计算、动态系统理论与神经科学观测的下一代计算模型,预示着更接近生物智能的AI系统的诞生。 --- 结语: 《脉冲》不仅是一本技术手册,更是一份对大脑计算原理的深刻反思。它邀请读者跨越学科壁垒,共同探索如何通过模拟生命的信息处理方式,来革新我们对智能本身的理解。本书的最终目标是激发下一代科学家,去设计出既能高效解决复杂问题,又能在生物学上具有可解释性的智能系统。

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读后感

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用户评价

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我最近接触到了一个全新的领域,就是利用计算方法来解决生物学问题。之前我对R语言并不熟悉,但听同行说它是这个领域的核心工具,于是我就到处寻找相关的学习资源。在浏览了一系列的书籍后,我被这本书的简介所吸引,它承诺能够“全面覆盖R语言在生物信息学中的应用”。 翻开书,我首先被它的逻辑结构所打动。它不是那种堆砌概念的书,而是循序渐进地引导读者入门。从最基础的R语言语法和数据处理开始,然后逐渐深入到如何处理像测序数据、表达谱数据这类生物学领域特有的复杂数据。让我感到惊喜的是,书中并没有直接跳到复杂的算法,而是花了相当大的篇幅讲解如何进行数据预处理和清洗,这对于任何实际的数据分析项目来说都是至关重要的一步,很多时候我们都低估了这一步的难度和耗时。 作者在讲解每一个概念时,都会辅以大量的代码示例,并且这些代码都经过了精心设计,既能清晰地展示技术细节,又能保证可执行性。这对于我这样的新手来说,简直是福音。我不再需要费力地去猜测代码的含义,而是可以直接复制、运行,并且看到结果。更重要的是,书中提供的示例数据都来源于真实的研究,这让我感觉自己不仅在学习编程,更是在学习如何解决真实的生物学问题。 这本书的深度和广度都超出了我的预期。它涵盖了从基本的统计分析到一些更高级的机器学习方法在生物信息学中的应用。尤其是在基因组学分析方面,书中对各种常用算法的介绍和R语言实现,为我打开了新的研究思路。我之前一直觉得基因组学分析遥不可及,现在看来,有了这本书的指引,一切都变得清晰起来。

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我之前的工作主要集中在实验室的湿实验,对于生物信息学方面的知识了解甚少。随着研究的深入,我越来越意识到数据分析的重要性,特别是利用R语言进行高通量测序数据的分析。在朋友的推荐下,我找到了这本书,希望能够快速入门。 这本书最大的亮点在于其“实战性”。它并没有过多地停留在理论层面,而是直接切入生物信息学中的核心问题,并提供了详细的R语言解决方案。例如,在处理RNA-seq数据时,书中从数据质量控制、比对、定量到差异表达分析,每一步都给出了清晰的代码和操作指南。这让我感觉自己仿佛在跟着作者一步一步地完成一个完整的分析项目。 我尤其喜欢书中对数据可视化的讲解。它不仅仅是罗列一些绘图函数,而是教会我如何根据不同的分析目的,选择最合适的图表类型,以及如何通过定制图表来突出关键信息。例如,书中关于火山图、热图和PCA图的讲解,让我对如何有效地展示基因表达变化和样本聚类有了全新的认识。 这本书的内容非常系统,从基础的数据操作到复杂的统计模型,几乎涵盖了生物信息学分析的方方面面。作者在讲解过程中,总是能够抓住问题的核心,用简洁明了的语言进行解释,并且能够及时地指出一些常见的错误和难点。这极大地降低了我的学习难度,让我能够更专注于理解分析思路和R语言的应用。 总的来说,这本书为我提供了一个非常有效的学习平台。它不仅让我掌握了R语言在生物信息学中的基本技能,更重要的是,它培养了我独立解决生物学数据分析问题的能力。对于所有希望在生物信息学领域有所建树的科研人员来说,这本书绝对是值得拥有的。

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作为一名初学者,进入生物信息学领域对我来说是一项巨大的挑战。我被那些复杂的概念和海量的数据所吓倒,但又渴望能够掌握相关的技术。在朋友的推荐下,我入手了这本书,希望能找到一条清晰的学习路径。 这本书的开篇非常友好,它用通俗易懂的语言解释了生物信息学是什么,以及R语言在这个领域扮演的角色。作者并没有一开始就扔给我们一堆公式和代码,而是先勾勒出了整个领域的全貌,让我对学习目标有了更清晰的认识。这让我对接下来的学习内容充满了期待。 随着阅读的深入,我发现作者在解释每一个概念时,都非常注重逻辑的连贯性。他不会突然跳到另一个话题,而是会一步一步地引导读者理解。而且,书中对每一个R语言函数的使用都做了详细的说明,甚至连参数的意义都解释得清清楚楚。我最喜欢的是,书中有很多“小贴士”和“陷阱”提示,能够帮助我避免一些常见的错误,这对于新手来说实在是太有用了。 书中在讲解到具体分析方法时,往往会结合一个实际的生物学问题来展开。例如,在讲解差异表达基因分析时,书中就以一个具体的实验设计为例,一步步地展示了如何用R语言来找出在不同处理组之间表达量显著不同的基因。这种“问题导向”的学习方式,让我能够更深刻地理解这些分析方法的实际意义,而不是仅仅停留在抽象的理论层面。 总而言之,这本书为我提供了一个非常扎实的生物信息学入门基础。它不仅教会了我如何使用R语言,更让我理解了R语言在解决生物学问题中的强大能力。我相信,这本书将是我在生物信息学学习道路上不可或缺的伙伴。

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我一直对生物学研究中的数据分析和挖掘工作感到好奇,尤其是在基因组学和分子生物学领域,数据量庞大且复杂,需要强大的工具来处理。在了解到R语言是生物信息学领域的主流编程语言后,我便积极寻找能够系统学习它的书籍。 这本书的内容呈现方式非常独特,它不像其他技术书籍那样枯燥,而是融入了大量的生物学背景知识,使得读者在学习R语言的同时,也能对相关的生物学概念有一个更深入的理解。作者在讲解每一个数据分析流程时,都会先简要介绍该流程在生物学研究中的意义和应用场景,然后才深入到具体的R语言实现。这种方式极大地激发了我学习的兴趣,让我感觉我不仅仅是在学习一门编程语言,而是在学习一种解决科学问题的能力。 书中对于一些高级分析技术的讲解也相当到位。例如,在提到网络分析时,书中不仅介绍了常用的网络构建方法,还讲解了如何利用R语言进行网络可视化和关键节点识别,这对于理解基因之间的相互作用和信号通路至关重要。另外,书中在讲解机器学习算法在生物信息学中的应用时,也非常注重理论与实践的结合,给出了很多实用的代码示例,能够让我直接上手操作。 值得一提的是,这本书并没有回避一些更复杂的数据类型和分析方法。作者在处理这些内容时,能够清晰地将其分解成更小的、易于理解的步骤,并且提供相应的R语言解决方案。这对于希望深入研究某一特定领域的读者来说,无疑是一笔宝贵的财富。 这本书的整体风格非常严谨而又不失趣味,作者在内容的选择和编排上都展现出了深厚的功底。它既适合希望系统学习R语言在生物信息学中应用的初学者,也能够为有一定基础的研究者提供新的视角和更深入的探索方向。

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这本书的装帧设计简洁大气,封面采用了深蓝色背景,上面印着一串优美的R语言代码,仿佛是生物信息学领域的一串生命密码,让人一眼就能感受到其专业性和前沿性。翻开书页,纸张的触感舒适,印刷清晰,排版合理,即使长时间阅读也不会感到疲劳。 在内容方面,这本书给我带来了许多惊喜。作者以一种非常系统的方式,将R语言在生物信息学中的应用娓娓道来。从基础的数据结构和操作,到复杂的基因组学、转录组学、蛋白质组学等数据分析流程,都讲解得细致入微。我特别欣赏作者在每个章节后面都配有大量的实例代码和实际数据集,这使得我可以立即动手实践,将理论知识转化为实际技能。 尤其是关于可视化部分,书中介绍的各种绘图函数和包,例如ggplot2,真的让我大开眼界。我以前尝试用R进行数据可视化,总是觉得效果不尽如人意,但通过这本书的学习,我掌握了如何制作出既美观又信息量十足的图表,这对于我理解和展示生物学数据至关重要。 总的来说,这本书不仅是一本技术手册,更像是一位经验丰富的导师,在我探索生物信息学世界的道路上给予了无私的指导。它帮助我建立了扎实的R语言基础,并能将其灵活应用于各种生物学研究问题。我强烈推荐给所有对生物信息学感兴趣的研究者和学生,无论你是初学者还是有一定基础,都能从中受益匪浅。

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